[논문 리뷰] Thermal spin transport and spin in thermoelectrics

Joseph P. Heremans|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 17.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 열전재료에서 스핀, 열, 전하 운반체 간의 상호작용을 검토하며, 스핀 편극 전자와 면자성 진동수를 운반체로 다룹니다. 이는 MnTe와 같은 반도체에서 면자성 진동수의 드래그 효과가 열전력에 2–3배의 증폭을 가져다주며, 최적화 없이도 zT > 1을 달성할 수 있음을 보여줍니다. 이는 스핀이 고효율 열전재료 설계의 실현 가능한 매개변수임을 입증합니다.

ABSTRACT

This article reviews the principles that govern the combined transport of spin, heat, and charge. The extensive thermodynamic quantity associated with spin transport is the magnetization; its Onsager-conjugate force is in general the derivative of the free energy with respect to the magnetization. Spins are carried in one of two ways: (1) by spin-polarized free electrons in magnetic metals and doped semiconductors, or (2) by spin waves (magnons) that reside on localized electrons on unfilled d- or f-shells of transition metal or rare-earth elements. The paper covers both cases in separate chapters. In both cases, it is possible to define a spin chemical potential whose gradient is the more practical conjugate force to spin transport. The paper further describes the anomalous Hall, spin Hall, and inverse spin Hall effects in magnetic and non-magnetic solids with strong spin-orbit coupling because these effects are used to generate and measure spin fluxes. Spin transport across interfaces is described next, and includes spin pumping and spin transfer torque. The final chapter then puts all these concepts together to describe the spin-Seebeck, spin-Peltier, and magnon-drag effects, which exist in ferromagnetic, antiferromagnetic, and even paramagnetic solids. Magnon-drag, in particular, is a high-temperature effect that boosts the thermopower of metals by an order of magnitude and that of semiconductors by a factor of 2 or 3 above the electronic diffusion thermopower. This is the only example where a spin-driven effect is larger than a charge-driven effect. Magnon drag leads a simple binary paramagnetic semiconductor, MnTe, to have zT > 1 without optimization. This shows how adding spin as an additional design parameter in thermoelectrics research is a new and promising approach toward the quest for high-zT materials.

연구 동기 및 목표

• 고체에서 열 및 전하 운반과 결합된 스핀 운반을 위한 열역학적 프레임워크 수립.
• 자기성 및 비자기성 재료에서 스핀 화학적 위치 에너지 및 그 기울기를 스핀 흐름의 실용적 구동력으로 식별.
• 스핀 홀 효과, 역스핀 홀 효과, 이상 홀 효과를 이용한 스핀 전류 생성 및 탐지 도구로 분석.
• 스핀 펌프 및 스핀 전달 토크를 포함한 인터페이스에서의 스핀 운반 메커니즘 통합.
• 특히 면자성 진동수 드래그 효과를 포함한 스핀 구동 효과가 전하 기반 열전력보다 크기가 크며, 최적화되지 않은 재료에서도 고zT 값을 가능하게 함을 입증.

제안 방법

• 자유 에너지의 자화에 대한 도함수로 스핀 운반의 온세거 쌍대력 유도.
• 두 가지 스핀 운반 메커니즘 구분: 자기금속/도핑된 반도체에서의 스핀 편극 전자 및 국소화된 d- 또는 f-전자 시스템에서의 면자성 진동수.
• 전자 및 면자성 진동수 운반에서 모두 스핀 화학적 위치 에너지 기울기를 스핀 전류의 실용적 구동력으로 적용.
• 강한 스핀-오비트 결합을 가진 재료에서 스핀 홀 효과 및 역스핀 홀 효과를 이용한 스핀 전류 생성 및 탐지 분석.
• 스핀 펌프 및 스핀 전달 토크 메커니즘을 이용해 인터페이스에서의 스핀 운반 모델링.
• 자기성, 반자기성, 비자기성 재료에서 스핀-세베크, 스핀-펠리에르, 면자성 진동수 드래그 효과의 기술에 모든 메커니즘 통합.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열 및 전하 운반 존재 하에서 스핀 운반은 어떻게 열역학적으로 기술될 수 있는가?
• RQ2 자기성 및 비자기성 재료에서 스핀 화학적 위치 에너지 및 그 기울기가 스핀 전류를 구동하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 스핀-오비트 결합이 있는 고체에서 스핀 홀 효과, 이상 홀 효과, 역스핀 홀 효과는 스핀 흐름 생성 및 탐지에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 스핀 펌프 및 스핀 전달 토크와 같은 인터페이스 현상은 이방성 다층재에서 스핀 운반에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 면자성 진동수 드래그 효과는 전자 확산 열전력보다 크기가 클 수 있으며, 최적화되지 않은 재료에서 zT > 1을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• MnTe와 같은 비자기 반도체에서 면자성 진동수 드래그 효과는 전자 확산 열전력보다 2–3배 높은 열전력을 향상시킨다.
• 면자성 진동수 드래그 효과는 현재까지 알려진 유일한 스핀 기반 효과로, 전하 기반 열전력보다 크기가 크다.
• 이진 비자기 반도체인 MnTe에서 면자성 진동수 드래그 효과만으로도 어떤 재료 최적화 없이도 열전 성능 지표 zT > 1을 달성한다.
• 스핀-세베크 및 스핀-펠리에르 효과는 자성체, 반자성체, 심지어 비자성체에서도 일반적인 현상임을 입증한다.
• 자기화에 대한 자유 에너지의 열역학적 도함수보다 스핀 화학적 위치 에너지 기울기가 스핀 운반에 더 실용적이고 측정 가능한 쌍대력임을 확인한다.
• 이론적 모델링은 국소화된 f- 또는 d-전자 껍질을 가진 재료에서 고온에서 면자성 진동수를 통한 스핀 운반 메커니즘이 열전 응답을 지배할 수 있음을 확인한다.